Спутниковая навигационная аппаратура

 

Достижения в области геоспутниковых и геоинформационных технологий, а также возросшие возможности современной навигационной аппаратуры потребителей (НАП) спутниковых навигационных систем (СНС) позволили использовать спутниковую навигационную аппаратуру при решении задач координатно-временного и навигационного обеспечения.

В настоящее время в Российской Федерации развернута СНС «ГЛОНАСС»[1], в США – GPS «NAVSTAR»[2], главными заказчиками которых являются МО РФ и США. Обе системы предназначены для глобального, всепогодного, пассивного и высокоточного навигационно-временного обеспечения практически всех военных потребителей. Они позволяют неограниченному числу потребителей определять в реальном масштабе времени свои координаты, скорость движения и точное время независимо от метеоусловий в любой точке поверхности Земли и околоземного пространства.

В спутниковых навигационных системах используется псевдодальномерный метод местоопределения потребителей и псевдорадиальный метод определения их вектора скорости. Технические возможности систем удовлетворяют требованиям войск к точности фиксации объектов, затрачиваемому времени и скрытности навигационных определений.

Спутниковые навигационные системы включают в себя три функциональные части (сегменты) (рисунок 3.14):

- космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (ИСЗ) – навигационных космических аппаратов;

- сегмент управления – наземный комплекс контроля и управления орбитальной группировкой космических аппаратов;

- сегмент потребителей, который состоит из спутниковых навигационных приемников.

Космический сегмент включает орбитальные группировки навигационных космических аппаратов: GPS «NAVSTAR» – 24 спутника и СНС «ГЛОНАСС» – 24 спутника. С учетом, что время эксплуатации спутника составляет порядка 5 лет, состав группировок постоянно меняется.

 

Рисунок 3.14 – Сегменты спутниковой навигационной системы

 

Навигационные космические аппараты вращаются по круговым строго определенным орбитам с периодом обращения спутников вокруг Земли примерно два оборота в сутки (рисунок 3.15).

В состав бортовой аппаратуры искусственных спутников входят: навигационный передатчик, хронизатор (часы), управляющий комплекс, система ориентации, стабилизации и т. п.

Сегмент управления включает сеть наземных командных, контрольных, измерительных пунктов и центров управления и синхронизации, которые осуществляют эфемеридное и частотно-временное обеспечение спутников, мониторинг радионавигационного поля, радиотелеметрический мониторинг, командное и программное радиоуправление навигационными космическими аппаратами.

Наземный сегмент определяет параметры движения спутников и прогнозирует значения этих параметров на заранее определенный промежуток времени по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

 

Рисунок 3.15 – Орбитальная спутниковая группировка

 

Сегмент потребителей является самым многочисленным из всех сегментов СНС. Он включает в себя множество различной по назначению и модификации навигационной аппаратуры потребителей. Спутниковые навигационные системы являются беззапросными, поэтому количество потребителей систем не имеет ограничений.

Навигационная аппаратура потребителей предназначена для решения задач наземной навигации, определения координат неподвижных и подвижных объектов, определения точного времени и развития геодезических сетей. Решение этих задач выполняется специализированной ЭВМ, встроенной в аппаратуру потребителя с выдачей результата на дисплей. Достоинством отечественных изделий является возможность использования обеих СНС, что позволяет повысить точность и надежность при решении задач навигации.

В зависимости от характера решаемых задач применяются абсолютный и дифференциальный (относительный) методы местоопределения объектов (последний – используется в геодезических целях и в данном случае не рассматривается). В абсолютном методе координаты объекта вычисляют путем решения линейной засечки от всех видимых ИСЗ (рисунок 3.16). Рассмотрим более подробно этот метод.

 

 

Рисунок 3.16 – Определение координат объекта линейной засечкой от ИСЗ

 

Каждый спутник излучает на Землю сигнал, в котором содержится информация о самом спутнике и о текущем времени. Спутниковый навигационный приемник, используя встроенную таблицу орбит спутников, обрабатывая полученную по сигналам навигационной космической аппаратуры (НКА) эфемеридную информацию (код НКА и его координаты, метка времени, альманах и поправочные коэффициенты), сравнивает метку времени ИСЗ с меткой времени, вырабатываемой самим приемником. По интервалу времени прохождения сигнала от НКА до навигационной аппаратуры потребителей вычисляется дальность до каждого из наблюдаемых спутников.

          R = c ^· t, или R = [(X_s– X_a)² + (Y_s– Y_a)² – (Z_s– Z_a)²]^1/2,   

где   R – дальность;

с – скорость света;

t – время распределения сигнала;

X_a, Y_a, Z_a; X_s, Y_s, Z_s – пространственные координаты объекта и ИСЗ.

Спутниковая навигационная аппаратура потребителей, выполняя многократные измерения (несколько сотен фиксаций) до находящихся в зоне ее видимости ИСЗ (4-9), реализует указанные зависимости с помощью встроенной в нее специализированной ЭВМ, оптимизирующей результаты измерений и решение линейной засечки с определением координат объекта А(X_a, Y_a, Z_a).

В ходе измерений возможны погрешности синхронизации часов, атмосферная задержка, искусственное зашумление, отражение сигнала и другие, поэтому точность определения своего местоположения с помощью навигационной аппаратуры потребителей непостоянна. Прежде всего, она зависит от количества видимых спутников и их взаимного расположения на небе. Ошибка определения координат подвижных объектов обычно не превышает 100 м.

В процессе расчета приемник определяет расстояние до спутника, поэтому в связи с доплеровским эффектом первоначальный расчет местоположения объекта, находящегося в движении, занимает значительное время, однако все последующие определения выполняются в течение 1-2 мин.

Для определения местоположения объекта навигационному приемнику необходимо использовать данные как минимум четырех спутников. Количество спутников, которое может одновременно определить конкретный навигационный приемник, зависит от обзорности неба и ряда других факторов. На работу аппаратуры потребителя оказывает также существенное влияние окружающая среда и обстановка. Так, под кронами деревьев, возле высоких сооружений, в закрытой местности, в горах и на территории городской застройки прием сигналов существенно затруднен, кроме того, в подобных условиях показания аппаратуры могут иметь существенные, никак не обнаруживаемые погрешности.

Типичные задачи спутниковой навигационной аппаратуры примерно следующие: запомнить текущую позицию, показать направление и расстояние на ранее определенные точки маршрута, запомнить пройденный маршрут, вывести значения долготы, широты и времени в различных форматах. Существует возможность экспорта текущих координат (маршрутов) в различные компьютерные приложения.

Рассмотрим более подробно навигационную аппаратуру потребителей отечественного производства («Бриз-Н», «Грот» и другие), разработанную для применения в Сухопутных войсках. Данные образцы навигационной аппаратуры (рисунок 3.17) предназначены для решения следующих задач:

- автоматической непрерывной выработки двух (B, L) или трех (B, L, H) координат и вектора путевой скорости движения объекта;

- определения текущих координат в системе координат 1942 г, а также в системе координат 1990 г или WGS-84 (World Geodetic System);

- определения азимута и расстояния до любой точки маршрута.

Технические характеристики приведены в таблице 3.1.

Основные режимы работы:

- ввод маршрутных данных и планирование маршрутов.

- непрерывное определение координат.

Режим навигации:

- текущая скорость, направление и информация о движении объекта;

- отслеживание маршрута (номер маршрута и его текущего отрезка, курс, расстояние на следующую точку и до конца маршрута).

 

Рисунок 3.17 – Носимый приемоиндикатор ГЛОНАСС/GPS «Грот-Н» 14Ц820

 

Рисунок 3.18 – Возимый приёмоиндикатор ГЛОНАСС/GPS «Грот-В» 14Ц821

 

 

Рисунок 3.19 – Малогабаритная навигационная аппаратура

потребителя ГЛОНАСС/GPS «Грот-М» 14Ц822

 

Т а б л и ц а  3.1 – Технические характеристики приемников

 

Тип приемника   Характеристики	«Грот-Н» 14Ц820	«Грот-В» 14Ц821	«Грот-М» 14Ц822
Диапазон частот принимаемых каналов	1,6 ГГц	1,6 ГГц	1,6 ГГц
Число независимых каналов приема	12	12	12
Время первого определения координат	не более 3 мин	не более 3 мин	не более 3 мин
Частота обновления координат	1 с	1 с	1 с
Предельные погрешности определения при работе по ГЛОНАСС: - координат на стоянке        (в движении) - составляющих вектора  скорости	30 м (45 м)   0,05 м/с	30 м (45 м)   0,05 м/с	30 м (45 м)   0,05 м/с

Состав навигационной аппаратуры:

- приемоиндикатор для обработки и выдачи результатов обработки информации НКА на дисплей и внешним потребителям;

- сетевой адаптер для преобразования переменного напряжения сети в постоянное и заряда аккумуляторных батарей;

- блок антенный для приема сигналов НКА, их усиления и фильтрации.

Данная аппаратура удовлетворяет по точности требованиям основной категории потребителей Сухопутных войск ВС РФ и позволяет надежно определять местоположение передвигающихся объектов.

За рубежом GPS–технология наиболее развита в армии США, в которой к 2002 г планировалось обеспечить каждый экипаж, каждого пехотинца средствами навигации.

Потенциальные возможности геоинформационных систем военного назначения (ГИС ВН) и мобильной связи со спутниковыми навигационными приемниками позволяют обеспечить: точное определение координат местоположения объекта в реальном масштабе времени; двухстороннюю связь между пунктом управления и мобильными объектами; визуализацию передвижения объектов; внесение изменений (корректировку) маршрутов и т. п.

Постоянно возрастающие требования войск к точности фиксации объектов, оперативности и скрытности навигационных определений повлекли за собой создание автоматизированных навигационных систем (АНС), а также систем контроля и слежения за передвижением мобильных объектов. Эти системы обеспечивают геопозицирование и визуализацию местоположения объектов на электронных картах. Их структура представляет собой совокупность автоматизированных источников данных обстановки, пунктов сбора обработки данных, средств приема, передачи и отображения информации.

В состав данных систем входят автоматизированный диспетчерский центр, расположенный на пункте управления, и комплекс технических средств, оборудованных на мобильном объекте, – навигационно-информационный комплекс.

Состав диспетчерского центра включает, как правило:

- автоматизированное рабочее место для отображения положения мобильных объектов, их параметров движения и анализа полученной информации;

- эталонный локатор, осуществляющий дифференциальную коррекцию НАП для достижения необходимой точности геопозицирования;

- сетевой приемопередатчик, объединяющий в радиосети транспортные средства и диспетчерский центр, и обеспечивающий возможность использования канала, спутниковой связи или мобильных ретрансляторов;

- контроллер связи, обеспечивающий двухстороннюю оптимальную передачу данных.

Источниками первичных данных о передвижении объектов являются навигационно-информационные комплексы, в состав которых входят:

1. Спутниковая навигационная аппаратура, обеспечивающая:

- периодическое или непрерывное определение координат места, времени и вектора абсолютной путевой скорости объекта по радиосигналам НКА;

- выбор оптимального созвездия спутников для наблюдений;

- индикацию навигационных параметров и выдачу их потребителю;

- решение сервисных задач.  

2. Бортовая ПЭВМ с математическим, программным обеспечением и электронными картами на маршрут движения, сопряженная с навигационной аппаратурой и радиостанцией транспортного средства.

3. Сетевой приемопередатчик, имеющий те же функции, что и передатчик в диспетчерском центре управления.

В режиме дистанционного доступа навигационная информация о мобильных объектах по каналам связи передается на диспетчерский центр, где средствами ГИС–технологий отображается их реальное положение на электронной карте, что позволяет оперативно воздействовать на мобильные объекты.

В автономном режиме управления мобильным объектом поступающая навигационная информация постоянно отображается на электронной карте. Изменение местоположения мобильного объекта приводит к изменению положения его условного знака на электронной карте, что позволяет визуализировать маршрут движения объекта в реальном масштабе времени.

Для отображения перемещающихся объектов на электронной карте используются системы «Навигатор», «Треффик» и другие, разработанные с ГИС «Интеграция».

Спутниковая навигационная аппаратура, в отличие от рассмотренной ранее наземной навигационной аппаратуры, значительно упрощает и существенно сокращает время на подготовку карты и навигационной аппаратуры для ориентирования на местности и решения других задач, а также позволяет оперативно и с более высокой точностью решать навигационные задачи. Вместе с тем, работа современной аппаратуры потребителя в залесенной местности, на территории городской застройки, вблизи линии электропередач и в ряде других случаях затруднена, а ее показания могут иметь существенные погрешности, что необходимо учитывать при ориентировании на местности.

Использование наземной навигационной аппаратуры при ориентировании на местности позволяет: уверенно ориентироваться при движении в сложных условиях на незнакомой местности днем и ночью; знать в любой момент местоположение подразделений на марше и их боевые порядки в наступательном и оборонительном бою; наносить на карту границы зон заражения, затопления, колонные пути; оперативно производить топогеодезическую привязку огневых и стартовых позиций ракет и артиллерии; определять координаты наблюдаемых целей и наносить их на карту.

При работе со спутниковыми навигационными приемниками офицеры выполняют следующие нормативы по Военной топографии: